JNI与Android VM之间的关系

1. 如何载入*.so文件

由于Android的应用层级类别都是以Java撰写的，这些Java类别转译为Dex型式的Bytecode之后，必须仰赖Dalvik虚拟机(VM: Virtual Machine)来执行。

另外，当java需要调用c native组件时，VM就会去加载本地的c组件，让java函数能顺利的调用到C函数。此时，VM扮演着桥梁的角色，让java和c组件能通过透明的JNI接口相互沟通。

应用层级的Java类是在虚拟机(VM: Vitual Machine)上执行的，而C组件不是在VM上执行，那么Java程序又如何要求VM去加载(Load)所指定的C组件呢? 可使用下述指令：

System.loadLibrary(*.so的文件名);

如：

public class MediaPlayer{   

    static {

System.loadLibrary("media_jni");

    }

……..

}

这要求VM去加载Android的/system/lib/libmedia_jni.so文件。载入*.so档之后，Java类别与*.so档就汇合起来，一起执行了。

2. 如何撰写*.so的入口函数

---- JNI_OnLoad()与JNI_OnUnload()函数之用途

当VM执行到System.loadLibrary()函数时，首先会去执行C组件里的JNI_OnLoad()函数。它的用途有二：

1. 告诉VM此C组件使用那一个JNI版本。如果你的*.so文件没有提供JNI_OnLoad()函数，VM会默认该*.so檔是使用最老的JNI 1.1版本。由于新版的JNI做了许多扩充，如果需要使用JNI的新版功能，例如JNI 1.4的 java.nio.ByteBuffer, 就必须藉由JNI_OnLoad()函数来告知VM。

2. 由于VM执行到System.loadLibrary()函数时，就会立即先呼叫JNI_OnLoad()，所以C组件的开发者可以藉由JNI_OnLoad()来进行C组件内的初期值之设定(Initialization)。

例如，在Android的/system/lib/libmedia_jni.so档案里，就提供了JNI_OnLoad()函数，其代码段为：

//#define LOG_NDEBUG 0

#define LOG_TAG "MediaPlayer-JNI"

………

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)

{

    JNIEnv* env = NULL;

    jint result = -1;

    if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {

        LOGE("ERROR: GetEnv failed/n");

        goto bail;

    }

    assert(env != NULL);

    if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {

        LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed/n");

        goto bail;

    }

    if (register_android_media_MediaRecorder(env) < 0) {

        LOGE("ERROR: MediaRecorder native registration failed/n");

        goto bail;

    }

    if (register_android_media_MediaScanner(env) < 0) {

        LOGE("ERROR: MediaScanner native registration failed/n");

        goto bail;

    }

    if (register_android_media_MediaMetadataRetriever(env) < 0) {

        LOGE("ERROR: MediaMetadataRetriever native registration failed/n");

        goto bail;

    }

    /* success -- return valid version number */

    result = JNI_VERSION_1_4;

bail:

    return result;

}

// KTHXBYE

此函数回传JNI_VERSION_1_4值给VM，于是VM知道了其所使用的JNI版本了。此外，它也做了一些初期的动作(可呼叫任何本地函数)，例如指令：

   if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {

        LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed/n");

        goto bail;

    }

就将此组件提供的各个本地函数(Native Function)登记到VM里，以便能加快后续呼叫本地函数的效率。

JNI_OnUnload()函数与JNI_OnLoad()相对应的。在加载C组件时会立即呼叫JNI_OnLoad()来进行组件内的初期动作；而当VM释放该C组件时，则会呼叫JNI_OnUnload()函数来进行善后清除动作。当VM呼叫JNI_OnLoad()或JNI_Unload()函数时，都会将VM的指标(Pointer)传递给它们，其参数如下：

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {

………

}

jint JNI_OnUnload(JavaVM* vm, void* reserved){

………

}

在JNI_OnLoad()函数里，就透过VM之指标而取得JNIEnv之指标值，并存入env指针变量里，如下述指令：

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved){

     JNIEnv* env = NULL;

     jint result = -1;

    if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {

      LOGE("ERROR: GetEnv failed/n");

  goto bail;

    }

}

由于VM通常是多线程(Multi-threading)的执行环境。每一个线程在呼叫JNI_OnLoad()时，所传递进来的JNIEnv指标值都是不同的。为了配合这种多线程的环境，C组件开发者在撰写本地函数时，可藉由JNIEnv指标值之不同而避免线程的数据冲突问题，才能确保所写的本地函数能安全地在Android的多线程VM 里安全地执行。基于这个理由，当在呼叫C组件的函数时，都会将JNIEnv指标值传递给它，如下：

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)

{

JNIEnv* env = NULL;

……….

    if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {

……….

   }

}

这JNI_OnLoad()呼叫register_android_media_MediaPlayer(env)函数时，就将env指标值传递过去。如此，在register_android_media_MediaPlayer()函数就能藉由该指标值而区别不同的线程，以便化解数据冲突的问题。

例如，在register_android_media_MediaPlayer()函数里，可撰写下述指令：

if ((*env)->MonitorEnter(env, obj) != JNI_OK) {

……….

}

查看是否已经有其他线程进入此对象，如果没有，此线程就进入该对象里执行了。还有，也可撰写下述指令：

if ((*env)->MonitorExit(env, obj) != JNI_OK) {

………

}

查看是否此线程正在此对象内执行，如果是，此线程就会立即离开。

3. registerNativeMethods()函数之用途

应用层级的Java类别透过VM而呼叫到本地函数。一般是依赖VM去寻找*.so里的本地函数。如果需要连续呼叫很多次，每次都需要寻找一遍，会多花许多时间。此时，组件开发者可以自行将本地函数向VM进行登记。例如，在Android的/system/lib/libmedia_jni.so档案里的代码段如下：

//#define LOG_NDEBUG 0

#define LOG_TAG "MediaPlayer-JNI"

………

static JNINativeMethod gMethods[] = {

    {"setDataSource",   "(Ljava/lang/String;)V",

  (void *)android_media_MediaPlayer_setDataSource},

    {"setDataSource",    "(Ljava/io/FileDescriptor;JJ)V",

(void *)android_media_MediaPlayer_setDataSourceFD},

    {"prepare",   "()V",     (void *)android_media_MediaPlayer_prepare},

    {"prepareAsync",   "()V",   (void *)android_media_MediaPlayer_prepareAsync},

    {"_start",   "()V",   (void *)android_media_MediaPlayer_start},

    {"_stop",   "()V",    (void *)android_media_MediaPlayer_stop},

    {"getVideoWidth",   "()I",      (void *)android_media_MediaPlayer_getVideoWidth},

    {"getVideoHeight",   "()I",      (void *)android_media_MediaPlayer_getVideoHeight},

    {"seekTo",              "(I)V",      (void *)android_media_MediaPlayer_seekTo},

    {"_pause",              "()V",       (void *)android_media_MediaPlayer_pause},

    {"isPlaying",           "()Z",       (void *)android_media_MediaPlayer_isPlaying},

    {"getCurrentPosition",  "()I",  (void *)android_media_MediaPlayer_getCurrentPosition},

    {"getDuration",         "()I",     (void *)android_media_MediaPlayer_getDuration},

    {"_release",            "()V",      (void *)android_media_MediaPlayer_release},

    {"_reset",              "()V",        (void *)android_media_MediaPlayer_reset},

    {"setAudioStreamType",  "(I)V", (void *)android_media_MediaPlayer_setAudioStreamType},

    {"setLooping",      "(Z)V",      (void *)android_media_MediaPlayer_setLooping},

    {"setVolume",      "(FF)V",     (void *)android_media_MediaPlayer_setVolume},

    {"getFrameAt",     "(I)Landroid/graphics/Bitmap;",

  (void *)android_media_MediaPlayer_getFrameAt},

    {"native_setup",    "(Ljava/lang/Object;)V",

           (void *)android_media_MediaPlayer_native_setup},

    {"native_finalize",     "()V",    (void *)android_media_MediaPlayer_native_finalize},

};

………

static int register_android_media_MediaPlayer(JNIEnv *env){

………

    return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env,

                "android/media/MediaPlayer", gMethods, NELEM(gMethods));

}

……….

//

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved){

………

    if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {

        LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed/n");

        goto bail;

    }

……….

}

当VM载入libmedia_jni.so档案时，就呼叫JNI_OnLoad()函数。接着，JNI_OnLoad()呼叫register_android_media_MediaPlayer()函数。此时，就呼叫到AndroidRuntime::registerNativeMethods()函数，向VM(即AndroidRuntime)登记gMethods[]表格所含的本地函数了。简而言之，registerNativeMethods()函数的用途有二：

1. 更有效率去找到函数。

2. 可在执行期间进行抽换。由于gMethods[]是一个<名称，函数指针>对照表，在程序执行时，可多次呼叫registerNativeMethods()函数来更换本地函数之指针，而达到弹性抽换本地函数之目的。